Gravitation quantique. Théories supergravitationnelles
1987/02/01 Martinez Lizarduikoa, Alfontso Iturria: Elhuyar aldizkaria
Introduction
Le succès obtenu par l'électrodynamique quantique pousse les scientifiques à unifier le champ électromagnétique et le faible, de sorte qu'il est nécessaire de concevoir une symétrie gauge plus puissante. Cette nouvelle symétrie est basée sur la symétrie isotopique du spin et sur la rupture brutale de la symétrie. Cette théorie électrofaible a été confirmée expérimentalement en 1983.
En ce sens, on essaie de théoriser une zone de gauge plus puissante afin de rassembler des forces violentes. Les théories BHT (1) ont été créées. Ces théories n'ont pas encore été confirmées expérimentalement. Mais la physique théorique ne peut pas attendre et a commencé à théoriser un autre champ plus large pour unifier le gravitationnel avec les forces précédentes. L'objectif de la gravitation quantique est d'obtenir cette théorie superlarge.
1.- Univers de bosons et de fermions
Les Théories de Grande Unité (TMH) regroupent trois zones du monde physique, mais pas la quatrième, la gravitation. La gravité a une grande résistance à se joindre à d'autres forces.
Dans ce contexte, deux problèmes surgissent. D'une part, nous ne connaissons pas la symétrie nécessaire pour unir les quatre forces. D'autre part, nous ne disposons pas encore d'une théorie gravitationnelle qui puisse être compactante de la mécanique quantique, puisque quand on veut définir la gravitation par l'échange de gravitons (combien du champ gravitationnel), ils apparaissent infinis en éliminant la théorie.
Mais nous savons ce qui peut être fait pour que ces infinis disparaissent : Créer une symétrie plus puissante que celle qui a jusqu'ici toute théorie. Et ce fut précisément le chemin choisi par la physique théorique. En 1970, les physiciens promulguèrent les premières théories supergravitationnelles. La symétrie utilisée dans ces théories est si puissante qu'elle ajoute toutes les forces existantes dans la nature. C'est pourquoi ces théories sont appelées supersymétriques.
La supergravitation est une généralisation de la théorie de la relativité d'Einstein. La supergravitation décrit les phénomènes gravitationnels au niveau quantique.
La supergravitation est une formulation supersymétrique de la gravitation. Cette supersymétrie a été formulée au début de l'année 70 par trois voies indépendantes. Ces recherches ont été menées aux États-Unis, en Union soviétique et en Europe.
L'essence de ces études est celle-ci. Toutes les fractions dans l'univers peuvent être divisées en deux groupes quant à leur spin: Les deux groupes sont des bosons et des fermions. Les bosons sont des particules contenant l'absence de spin ou simplement spin. Non fermions: ils ont des fractions de spin. Ceci, bien que très dur pour notre esprit, signifie que ces particules ont une double rotation.
Le comportement de ce type de fractions distribuées est très curieux. Les fermons ne veulent pas avoir de relation avec d'autres particules de leur famille. Cette conduite est définie par le principe d'exclusion de Pauli. Selon ce principe, deux fermies ne peuvent pas distribuer un même nombre quantique.
Face à ce comportement égoïste, nous avons des bosons. Ils ne mettent pas d'obstacles à travailler les uns avec les autres et se regroupent en groupes jusqu'à un niveau, multipliant leurs effets, qui peuvent être détectés macroscopiquement via nos outils de mesure.
En conséquence de ce comportement, les mondes des fermions et des bosons ont été considérés dans le monde scientifique comme une fusion constante. Par conséquent, ces théories supergravitationnelles ont été prises avec exclamation, car leurs fondements étaient dans l'union des bosons et des fermions.
2.- Supersymétrie
Mathématiquement, une opération de supersymétrie est la réalisation de deux racines de la symétrie de Lorentz/Poincaré. L'équivalent physique est de transformer le fermium en boson (ou vice versa).La théorie supersymétrique est basée sur des éléments numériques qui ne présentent pas une caractéristique commutative. La raison d'introduire ces numéros est liée au principe d'exclusion de Pauli. Ce principe interdit la coexistence de deux fermions à un point.
L'origine de la supergravité est basée sur une connaissance surprenante de la supersymétrie. La transfomation du boson de fermions, c'est-à-dire une particule se déplace d'un point à l'autre au cours du temps spatial. Si le déplacement de cette particule est obtenu par une transformation supersymétrique, elle suggère une relation profonde entre la supersymétrie et la structure spatiale.
Si en outre la répétition de la transformation de la supersymétrie est la transformation de Poincaré et il est à noter que l'invariance réduite de Poincaré est la symétrie qui produit la relativité générale, d'où il est déduit qu'il existe une connexion très étroite entre supersymétrie et gravitation. Ainsi, les physiciens théoriques ont commencé à étudier les théories supersymétriques.
Gauge est la base de la théorie supersymétrique, comme mentionné ci-dessus, le déplacement dans le temps spatial des deux rotations supersymétriques. Physiquement, il peut être interprété comme: La répétition de la transformation d'une supersymétrie provoque le déplacement d'une fraction physique.
Pour obtenir une théorie supersymétrique réduite, nous devons ajouter à chaque symétrie (rotation) un champ de serpent. Pendant ce temps, le déplacement dans le temps spatial est la transformation de Poincaré. Cette transformation rend le graviton considéré comme une particule gauge appropriée. Ainsi, sans plus, la théorie supersymétrique devient une théorie supergravitationnelle.
Si c'est la supergravité, il nous donne une description de la relativité générale, étant son langage quantique. Cette théorie prédit l'existence de particules de spin 3/2. L'observation expérimentale de ces particules donnerait un grand élan à la supergravitation.
3.- Théories générales de la supergravitation
La supergravité mentionnée ci-dessus a été généralisée dans l'ensemble de la théorie unifiée, connue comme théorie générale de la Supergravitation.
Dans ce groupe, nous avons 8 théories. Parmi elles, N=1 (2), gravitation dans sa forme originale. Et le plus puissant est N=8. Ce modèle définit une famille de fractions très abondante. Dans cette famille, nous avons 70 particules. Parmi ces particules se trouvent toutes celles qui sont connues aujourd'hui et tant d'autres qui doivent être trouvées. Un modèle qui regroupe tous les champs de la physique. Autrement dit, cette théorie serait une entité unique qui contrôle toute la Nature. Dans ce cadre, pour la première fois dans l'histoire de la science, la matière et la force apparaîtront dans une seule description.
La plus grande réalisation de cet ensemble de teoris est le degré de symétrie qui est atteint en eux. Lorsque la supersymétrie rejoint la symétrie interne, toutes les fractions que le graviton crée sont additionnées. Et cela est très important parce que tous les diagrammes peuvent être définis en fonction du diagramme du gravitationnel. Et la somme de tous ces diagrammes (pour calculer la probabilité d'interactions) est finie. Par conséquent, ces théories sont renormalisables.
La renormalisation, la symétrie profonde, l'unité des champs,... sont les objectifs qui ont atteint les théories supergravitationnelles. Les physiciens (physiciens théoriques) jouissent d'une immense confiance dans ces théories. Certains disent que la théorie N=8 est le sommet de la physique théorique.
À ce jour, les théories physiques ont été prises comme modèles d'interprétation de la réalité. Au fur et à mesure que ces modèles s'amélioraient, l'intégration entre théorie et ralité était adaptée. Certains scientifiques d'aujourd'hui ont osé expliquer l'opinion suivante:
"La théorie supergravitationnelle N=8 a une énorme adéquation mathématique avec la réalité, puisque celle-ci n'est plus le modèle de la réalité, mais la réalité".
4.- Quantification de la continuité spatiale
La partie la plus terrible et la plus sombre de la gravitation quantique est l'influence que peut avoir la quantification sur le cadre spatial.
Comme mentionné précédemment, pour l'obtention de la théorie unifiée la gravitation et la mécanique quantique doivent être compacteurs. Autrement dit, le champ gravitationnel doit être quantifié. Cependant, selon la théorie générale de la relativité, le champ gravitationnel n'est qu'une déformation de la continuelle spatiale.
À ce stade, un nœud important est créé, car si la gravité est quantifiée, le cadre même des phénomènes physiques (continuum spatio-temporel) devient objet quantique. Et ce dernier aura d'énormes implications physico-philosophiques.
Dans la théorie quantique conventionnelle des champs, le substrat spatial était stable. Dans la théorie de la gravitation quantique, ce support (substrat) influencera non seulement les fluctuations quantiques qui se produisent en vous, mais sera également fluctuant.
De ce point de vue, si nous analysons le comportement du cadre spatial au niveau du microcosme, trois niveaux différents nous apparaîtront.
Au premier niveau, nous trouvons le noyau de l'atome à une hauteur spatiale d'environ 10 à 12 cm (très supérieure à la longueur des Planck). A ce niveau, les fluctuations quantiques du champ gravitationnel sont très petites et la géométrie du substrat peut être considérée comme continue.
Si le niveau des distances est bas et que nous atteignons 10 à 30 cm (longueur d'onde autour des Planck), nous plongeons dans l'échelle BHT (3). A ce niveau commencent à apparaître des fluctuations importantes dans la géométrie du substrat et maintenant il semble froissé ce qui était autrefois une topologie plate.
Si nous continuons à descendre sur l'échelle de distance, nous atteindrons la longueur de Planck (10-30 cm), la plus petite distance avec une signification physique. Ici la continuité spatiale fluctue avec force, comme si dans la tempête nous nous trouvions parmi les vagues de la mer. Ce temps spatial est quantifié et sa structure causale est fluctuante et indéfinie.
Sur l'échelle du champ de Planck, il n'est pas possible de distinguer entre passé et futur. Dans ces distances si petites, des processus qui ne sont pas autorisés dans la relativité non quantique peuvent probablement se produire, comme l'existence de vitesses supérieures à la vitesse de la lumière.
5.- Topologie variable
Dans ce contexte émerge le concept de la topologie changeante inventé par Wheeler. L'extrapolation des zones fragiles aux zones des Planck, selon cette conception, peut rendre les fluctuations de la géométrie très agressives dans le même temps spatial en générant des trous noirs. Dans cette situation, la topologie du substrat serait très perturbée. Dans ce cadre, la violence et le déséquilibre seraient des rois. Les structures spatiales temporelles du support seraient très complexes, créatives et disparues.
Selon la théorie de Wheeler, l'excitation de cette mer spatiale si agressive se révélerait par les particules élémentaires. Et la nature différente entre les particules est donnée par la topologie attachée à chaque excitation. Selon Wheeler, pour connaître les comportements des fractions troncales, nous devrions d'abord comprendre la nature de l'état de la gravitation quantique. Dans la particule élémentaire, la phénoménologie serait réduite à la chimie de la géométrie.
Quel est le modèle mathématique qui peut être utilisé pour décrire ce chaos quantique? Comment décrire les transitions topologiques qui se produisent dans ce cadre?
Certains modèles ont déjà été proposés (4), mais dans des environnements scientifiques, aucun consensus n'a été atteint. Certains scientifiques ont proposé de considérer la géométrie spatiale comme une réalité secondaire. Cette réalité ne serait pertinente que sur les distances de Planck. Mais cette explication pose un autre problème: Quel est le nouveau caractère de la réalité si dans la gravitation quantique il faut remplacer le substrat spatial?
La réponse à cette question se compose de deux aspects différents. La première différence est le supergravitationnel, avec ses puissantes symétries. D'autre part, c'est la révision des mondes multidimensionnels créés par Kaluza et Klein il y a soixante ans, mais réinterprétés maintenant dans la perspective de la perspective quantique. Ces univers multidimensionnels seront ceux que nous analyserons dans le chapitre suivant.
OBSERVATIONS
- BHT: Théories du Batsunik Handiena GUT: Grand Unified Theories GTU: Grandes théories unifiées n est le nombre de gravitinos avec spin 3/2 de chaque théorie. Sur cette échelle quark et leptoie, les forces électromagnétiques, faibles et violentes s'unissent. Récemment, S.W. Hawking présente un modèle mathématique pour décrire la topologie spatiale. En 1984, un calcul proche est présenté pour la transformation de cette topologie. Voir A. Strominger dans la bibliographie.
BIBLIOGRAPHIE
- DAVIES, Paul: The edge of Infinity ; J.M. Dent and Sons Ltd. London, 1985.
- DE WIT Bryce: Gravité relative ; Scientific American, Feb, 1984
- J.M. DUFF ISHAM C.J. : Quantum Structure of Space and Time ; University Press, Cambridge, 1982.
- STROMINGER, A.: Phys. Rev. Lett. , 52, 1733; (1984).
- WEINBER, S: Théories unifiées des interactions entre particules élémentaires ; Scientific American, Juillet, 1974.
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